輥壓機生料終粉磨系統(tǒng)替代管磨系統(tǒng)的應(yīng)用

殷志峰，王虔虔，韓修銘，陳廣新，楊必清，王喜佳，項明強

（1.合肥水泥研究設(shè)計院，安徽 合肥 230051；2.肇慶市金崗水泥有限公司，廣東 肇慶 526105）

1 原生料粉磨系統(tǒng)簡介

金崗水泥有限公司現(xiàn)有1條2 500t/d新型干法旋窯水泥熟料生產(chǎn)線，生產(chǎn)線原有生料磨系統(tǒng)采用2套φ4.0×（10+3.5）m中卸烘干磨系統(tǒng)，系統(tǒng)總產(chǎn)能265～270t/h，2套管磨系統(tǒng)總裝機功率約7 050kW。

1.1 原料情況（見表1）

表1 原料及配比

1.2 原粉磨系統(tǒng)主機設(shè)備（見表2）

表2 原系統(tǒng)主機設(shè)備

1.3 原粉磨系統(tǒng)生產(chǎn)運行參數(shù)（見表3）

表3 原生料磨系統(tǒng)改造前的運行指標(biāo)（單套系統(tǒng)）

2 生料磨系統(tǒng)節(jié)能技改工藝及運行指標(biāo)

2.1 系統(tǒng)技改方案的制定

由于金崗水泥有限公司原有生料磨系統(tǒng)工藝相對落后、粉磨電耗高及生產(chǎn)維護費用高等問題，公司計劃對原料磨系統(tǒng)進行技改，并兼顧考慮避峰生產(chǎn)與系統(tǒng)連續(xù)運行保證窯系統(tǒng)穩(wěn)定的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，以達到節(jié)能降耗、降低運行成本的目的。

目前，我國預(yù)分解窯水泥生產(chǎn)線生料制備工藝主要有管磨、風(fēng)掃立磨、輥壓機終粉磨以及輥壓機聯(lián)合粉磨（該工藝應(yīng)用較少）等幾種粉磨系統(tǒng)，其中先進成熟的生料粉磨系統(tǒng)一是采用立式終粉磨系統(tǒng)，二是輥壓機終粉磨系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)2 500t/d預(yù)分解窯生產(chǎn)線，采用風(fēng)掃立磨制備生料的有以下幾種典型配置見表4。

表4 2 500t/d規(guī)模生產(chǎn)線立磨系統(tǒng)幾種典型配置

國內(nèi)2 500t/d規(guī)模預(yù)分解窯生產(chǎn)線，采用輥壓機生料終粉磨系統(tǒng)制備生粉的幾種典型配置見表5。

表5 500t/d規(guī)模生產(chǎn)線輥壓機生料終系統(tǒng)幾種典型配置

由表4、表5中的各廠實際運行數(shù)據(jù)來看，常用的立磨和輥壓機終粉磨系統(tǒng)的對比，輥壓機終粉磨是更加節(jié)能的生料粉磨方案，相同條件下，比立磨系統(tǒng)節(jié)電效果更顯著。綜合對比，兩種生料粉磨系統(tǒng)各有優(yōu)缺點：①立磨對原料水分的適應(yīng)能力更強，但立磨對磨蝕性大的生料不太適用，會加快磨輥、磨盤的襯板磨損，維護工作量大，維修費用增高，且立磨系統(tǒng)主風(fēng)機風(fēng)量大。②輥壓機終粉磨系統(tǒng)是更加節(jié)能的生料粉磨方案，同條件下，比立磨系統(tǒng)電耗低約2～3kWh/t；另外，對磨蝕性大的原料，輥壓機可采用不同材質(zhì)結(jié)構(gòu)的輥面，其適應(yīng)性更強，一次磨損壽命可達到30 000h以上；但輥壓機系統(tǒng)對水分過高、黏性很大的原料，其適應(yīng)能力不如立磨。經(jīng)過現(xiàn)場勘查，本項目所用原料綜合水分通?？煽卦冢?.0%，且原料較散，根據(jù)現(xiàn)有管磨系統(tǒng)電耗推算以及實測邦德功指數(shù)實測結(jié)果（Wi=12.84kWh/t）來看，其原料屬于中等磨蝕性的物料。綜上所述，技改采用更加節(jié)能的輥壓機終粉磨系統(tǒng)代替原有的生料球磨機系統(tǒng)最為合理。

2.2 系統(tǒng)工藝流程

采用輥壓機終粉磨工藝的生料系統(tǒng)流程見圖1。

圖1 輥壓機生料終粉磨系統(tǒng)工藝流程圖

2.3 技改后系統(tǒng)主要設(shè)備配置（見表6）

表6 改造后的系統(tǒng)主要設(shè)備

2.4 技改后系統(tǒng)運行指標(biāo)

（1）合同要求設(shè)計指標(biāo)見表7。

在這雙鷹眸下，少年看到遠處青山蒼茫、松濤如海，更遠處，卻是枯峰險壑、赤地連綿。在那片赤色的天地間，出現(xiàn)了幾顆細小的白點，如狂風(fēng)中的沙粒，一點一點地朝著云浮山的方向飄來。

表7 合同要求設(shè)計指標(biāo)

（2）技改后系統(tǒng)實際設(shè)計指標(biāo)。

該工程正式開工2015年12月5日，于2016年5月22日正式投料，實際運行指標(biāo)見表8。

（3）系統(tǒng)運行中控操作畫面見圖2。

（4）生料磨系統(tǒng)技改前后指標(biāo)對比見表9。

表8 實際運行指標(biāo)（正式標(biāo)定結(jié)果）

表9 改造前后生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比

由表9可見，系統(tǒng)技改后，總裝機功率降低了約3 050kW，系統(tǒng)產(chǎn)量及各質(zhì)量指標(biāo)能滿足窯系統(tǒng)要求，粉磨系統(tǒng)電耗較原中卸磨系統(tǒng)降低了約10～11kWh/t。

（5）系統(tǒng)技改前后廢氣中SO2排放對比。

①技改前后SO2排放濃度

窯系統(tǒng)運轉(zhuǎn)、生料磨停開時，窯尾廢氣中SO2排放濃度約320mg/m3。技改前中卸烘干磨系統(tǒng)與窯系統(tǒng)一體化運行時，SO2吸收效率約40%～50%，技改后輥壓機終粉磨系統(tǒng)與窯系統(tǒng)一體化運行時，吸收效率較原管磨系統(tǒng)高了20%～40%，達到約70%～90%，輥壓機終粉磨系統(tǒng)開機后，窯尾廢氣中SO2排放濃度完全達到GB 4915-2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》排放要求。

由表10看出，窯尾煙氣作為生料烘干源時，窯磨一體運行時，管磨系統(tǒng)脫硫效率最低，袁鳳宇[1]研究發(fā)現(xiàn)，立磨生料系統(tǒng)SO2吸收率可達50%～80%；Rose[2]也研究對比了生料磨開和停情況下SO2的排放濃度，數(shù)據(jù)表明立磨系統(tǒng)可以吸收61%的SO2。而金崗水泥有限公司由原生料管磨系統(tǒng)技改為輥壓機終粉磨系統(tǒng)后，實際運行相對原管磨系統(tǒng)SO2的吸收率提高了20%～40%，吸硫效率達到70%～90%。

表10 不同生料粉磨系統(tǒng)的SO2吸收率對比

②窯磨一體運行對窯廢氣脫硫機理的分析。

由上表SO2排放濃度數(shù)據(jù)可看出，生料磨的開停對窯尾廢氣中的SO2排放濃度影響非常大。因窯尾廢氣中的SO2在經(jīng)過生料磨系統(tǒng)時，生料磨中原材料中的水分蒸發(fā)到廢氣中，使廢氣中的SO2能夠與水發(fā)生反應(yīng)，形成H2SO3，有利于SO2的吸收，具體主要反應(yīng)如下：

通常情況下這種反應(yīng)比較緩慢，但在輥壓機生料終粉磨系統(tǒng)內(nèi)，由于原料帶入的水分被蒸發(fā)而含有大量水蒸汽，窯尾廢氣具有一定的溫度，且在粉磨過程中CaCO3新表面的不斷增加，使脫硫反應(yīng)得以加速進行，從阿倫尼烏斯（Arrhenius）熱動力學(xué)方程也能證明這一點：k=A·exp（-Ea/RT）

圖2 中控操作界面

式中：k—反應(yīng)速率，常數(shù)；A—前因子，常數(shù)；T—熱力學(xué)溫度，K；R—摩爾氣體常量，kJ/mol·K；Ea—表觀活化能，kJ/mol。

這樣一來，SO2和CaCO3和O2結(jié)合成CaSO4或者Ca（HSO3-）2從而被固定下來，Goldmann[3]研究提出，生料磨系統(tǒng)脫除約50%的SO2，產(chǎn)物為Ca（HSO3-）2，入窯后被氧化為CaSO4。金崗水泥公司系統(tǒng)技改后，采用輥壓機終粉磨系統(tǒng)，物料循環(huán)料流量大、在V選內(nèi)充分分散、大量水蒸汽環(huán)境及不斷產(chǎn)生新鮮CaCO3表面，諸多條件更有助于物料和熱煙氣中的SO2接觸更充分，反應(yīng)面積更大，反應(yīng)時間更長，導(dǎo)致SO2吸收率更高。

（6）系統(tǒng)技改后經(jīng)濟效益及環(huán)境效益。

主要經(jīng)濟效益。生料磨系統(tǒng)技改后，臺時產(chǎn)量264.9t/h（濕基），單產(chǎn)電耗較原球磨機系統(tǒng)降低了約10.0～11.0kWh/t（取均值10.5kWh/t）；每天避峰生產(chǎn)5h，用電均價取0.55元/kWh）；按照年產(chǎn)145萬t生料粉計算，可節(jié)約用電量約1522.5萬kWh/年，節(jié)約電費約837.4萬元/年，投資回收期約3～4年。另外，采用輥壓機生料終粉磨系統(tǒng)后，窯尾廢氣的SO2吸收率均高于原球磨機系統(tǒng)20%～40%，因此，也同時降低了脫硫成本。

環(huán)境效益。生料粉磨系統(tǒng)節(jié)能技改后，窯尾廢氣中 SO2排放濃度較管磨系統(tǒng)明顯降低。另外，生料終粉磨系統(tǒng)年節(jié)約用電量約1 522.5萬kWh/年，折合標(biāo)煤約1 871.2t，同時相應(yīng)減少了發(fā)電企業(yè)的相應(yīng)污染物的排放。

其他方面的效益。①取消了窯尾增濕塔（φ8.5m×34m），重而降低了企業(yè)的維護成本；采用C1出口管道噴水降溫；降低了增濕塔的維護費用。②原有中卸烘干磨系統(tǒng)漏風(fēng)系數(shù)高，原窯尾廢氣風(fēng)機平均開度約80%～88%，系統(tǒng)技改后，由于漏風(fēng)系數(shù)大大降低，窯尾廢氣風(fēng)機平均開度降低至70%～72%左右。

3 有關(guān)工藝系統(tǒng)的選擇及配置建議

輥壓機生料終粉磨系統(tǒng)，充分發(fā)揮了輥壓機擠壓粉磨的技術(shù)優(yōu)勢，由于系統(tǒng)裝機功率低，噸生料粉磨電耗低，多在11～14kWh/t范圍內(nèi)。與其他幾種粉磨系統(tǒng)相比，輥壓機生料終粉磨節(jié)電幅度最大，且吸收窯尾廢氣中SO2的效率相對其他幾種粉磨系統(tǒng)較高。因此，對于已投產(chǎn)的新型干法生產(chǎn)線中的生料管磨系統(tǒng)，在進行生料系統(tǒng)節(jié)能改造時，以及新建生產(chǎn)線中的生料磨系統(tǒng)，輥壓機生料終粉磨系統(tǒng)應(yīng)成為首選技改工藝，應(yīng)大力推廣應(yīng)用。

目前，原料系統(tǒng)節(jié)能技改以及新建的熟料生產(chǎn)線中多數(shù)企業(yè)傾向于采用更加節(jié)電的輥壓機生料終粉磨系統(tǒng)，已技改完成的山東山鋁、廣東新南華、樂昌南方、福建金銀湖、涇陽聲威、鶴壁同力等企業(yè)集團生料磨系統(tǒng)均采用此工藝系統(tǒng)。

金崗水泥有限公司生料磨系統(tǒng)節(jié)能技改后，在采用窯磨一體運行時，窯尾廢氣中的SO2吸收率高于原球磨機系統(tǒng)約20%～40%，這樣生料磨系統(tǒng)的產(chǎn)能設(shè)計配置只需既能滿足生產(chǎn)，又能避開高峰時段，也不至于產(chǎn)能過大，停磨時間過長，影響到窯尾廢氣污染物達標(biāo)排放。張傳行[4]等人也提出對于生料系統(tǒng)節(jié)能改造時可以將生料磨產(chǎn)能配置的小些，較窯的產(chǎn)能富余13%～15%即可，充分發(fā)揮設(shè)備產(chǎn)能，提高設(shè)備運轉(zhuǎn)率，有利于窯磨同步運行，從而有利于降低窯尾廢氣中的SO2排放濃度，也為企業(yè)降低了運行成本。

4 結(jié) 語

加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會是《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》的主要目標(biāo)和重點任務(wù)，金崗水泥有限公司響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，將生料球磨系統(tǒng)技改為更加節(jié)電的輥壓機生料終粉磨系統(tǒng)，技改后各項指標(biāo)均滿足原窯系統(tǒng)要求，單產(chǎn)電耗較原球磨系統(tǒng)降低約10～11kWh/t，窯磨一體運行時，窯尾廢氣中的SO2吸收率高于原球磨機系統(tǒng)約20%～40%，項目建設(shè)投資回收期短，技術(shù)經(jīng)濟效益和環(huán)境效益明顯，在當(dāng)今激烈的市場競爭環(huán)境下，輥壓機生料終系統(tǒng)是企業(yè)進行生料磨技改和新建應(yīng)大力推廣應(yīng)用的粉磨系統(tǒng)。

參考文獻：

[1]袁鳳宇.水泥生產(chǎn)的SO2排放和立磨制備生料的脫硫作用[J].中國水泥，2016（3）：73-75.

[2]Rose D，Brentrup L.Effective emission red uction when using secondary materials at the Siggenthal Cement Works in Switzerland[J].Zement -Kalk-Gips，1995（4）：204-214.

[3]Goldmann W，Kreft W，Schutte R. Cyclic phenomena of sulfur in cement kilns[J].World Cement Technology，1981（12）：424-430.

[4]張傳行，馬慶余.生料磨產(chǎn)能過大配置對生產(chǎn)影響分析[J].水泥，2016（11）：13-15.